CN106471206A - 单水道钻头以及使用单水道钻头的系统 - Google Patents

Abstract

本发明的具体实施包括钻孔工具，所述钻孔工具具有可增加冲洗和钻头寿命，同时也减少堵塞的轴向渐缩的水道。所述钻孔工具可具有延伸到所述切削面中的单个凹口以及从所述切削面延伸到所述钻孔工具的内部空间的多个孔。具体实施还包括具有钻孔工具的钻孔系统，所述钻孔工具具有单个凹口和多个孔。

Description

单水道钻头以及使用单水道钻头的系统

背景技术

技术领域

本发明整体涉及可用于钻地质构造和/或人工构造的钻孔工具，并且涉及制造和使用此类钻孔工具的方法。

技术背景

钻头和其他钻孔工具通常用于在岩石和其他地层中钻孔以用于勘探或其他目的。用于此类操作的一种类型的钻头是孕镶钻头。孕镶钻头包括可由包含粉末状硬颗粒材料(诸如碳化钨)的基质形成的切削部分或钻冠。硬颗粒材料可被烧结并且/或者用粘结剂(诸如铜合金)渗透。此外，孕镶钻头的切削部分可被孕镶有(impregnated with)研磨切削介质，诸如天然或合成金刚石。

在钻孔操作期间，研磨切削介质在支撑基质材料被磨掉时逐渐暴露。通过支撑基质的磨损而连续暴露新的研磨切削介质，从而形成切削部分，可有助于提供总是锐利的切削表面。孕镶钻孔工具可在工具的切削部分被消耗前继续高效地切削。一旦工具的切削部分被消耗，工具变钝并且通常需要置换。

孕镶钻头和大多数其他类型的钻孔工具通常需要在钻孔操作期间使用钻孔流体或空气。通常，钻孔流体或空气从表面通过钻柱并且经过钻头面泵送。钻孔流体然后可通过钻柱和钻孔壁之间的间隙返回到表面。作为另外一种选择，钻孔流体可沿在钻柱和地层之间形成的环面向下，经过钻头面泵送并且通过钻柱返回。钻孔流体可起到若干重要作用，包括将切屑向上冲洗并且离开钻孔，从钻头面清除切屑以使得研磨切削介质造成过度的钻头磨损，在钻孔期间润滑和冷却钻头面，以及减小旋转钻柱的摩擦。

为了有助于引导钻孔流体遍布钻头面，钻头将通常包括靠近切削面的水道或通道，其从内径到外径穿过钻头。因此，水道可同时有助于冷却钻头面和冲走切屑。不幸的是，当在破碎和研磨性地层中钻孔，或以高渗透率钻孔时，碎屑可能堵塞水道，从而阻碍钻孔流体的流动。从钻头内侧行进到外侧的钻孔流体的减少可导致切屑的去除不足，钻头的不均匀磨损，较大摩擦力的生成，钻头灼热，或可最终导致钻头故障的其他问题。此外，经常在破碎和研磨性地面条件下，松散材料不会平稳地送入到钻柱或岩心筒中。

用于减少水道堵塞的当前解决方案包括增加水道的深度，增加水道的宽度，以及使水道的侧面沿径向渐缩，因此在水道从钻头的内径延伸到外径时，其宽度增加。虽然这些方法中的每种在一定程度上可减少堵塞并且增加冲洗，但它们也各自呈现出从一个水平到另一个水平的各种缺点。

例如，更深的水道可降低钻头的强度，减小钻孔流体在水道入口处的速度，并且因此降低钻孔流体的冲洗能力，并且由于涉及将水道切削成钻头的坯体中的额外加工而增加制造成本。更宽的水道可减小钻头面的切削表面，并且因此降低钻头的钻孔性能并且减小钻孔流体在水道入口处的速度。类似地，径向渐缩的水道可减小钻头面的切削表面并且减小钻孔流体在水道入口处的速度。

应当理解，当前解决方案中的许多可从钻头的内径去除比钻头的外径更大百分比的材料，从而创建水道。在内径处减小的钻头体体积可导致钻头在内径处的过早磨损。这样的过早磨损可导致钻头失效并且通过需要更频繁地置换钻头而增加钻孔成本。

常规钻头的切削表面缺水导致切屑去除率下降，从而导致切削表面的磨损增加。此外，缺乏水流还可最小化地在钻头高速旋转运行过程中从切削表面去除热。这些熟知的钻头设计还与相对较低的渗透率和减小的接触应力测量值相关联。

因此，常规水道存在许多可被解决的缺点。具体地讲，在相关领域中，需要向钻头的切削表面更高效提供高速流体流并去除源自切削表面的热量的钻头。在相关领域中，还需要与普通钻头相比提供更高的切屑去除率和渗透率的钻头。

发明内容

本发明的具体实施利用可提供钻孔流体在钻孔工具的切削面周围的改善流动的钻孔工具、系统和方法克服了本领域中的一个或多个问题。例如，本发明的一个或多个具体实施包括具有水道的钻孔工具，其可增加钻孔流体在水道入口处的速度，并且从而提供切屑的改善冲洗。具体地讲，本发明的一个或多个具体实施包括具有轴向渐缩的水道的钻孔工具。

例如，岩芯取样钻头的一个具体实施可包括柄和环形钻冠。环形钻冠可包括纵向轴线、切削面、内表面和外表面。环形钻冠可限定围绕纵向轴线的内部空间以用于接纳钻芯样品。钻头还可包括从环形钻冠的内表面延伸到外表面的至少一个水道。至少一个水道可为轴向渐缩的，由此至少一个水道在环形钻冠的外表面处的纵向尺寸大于至少一个水道在环形钻冠的内表面处的纵向尺寸。

另外，钻孔工具的具体实施可包括柄和固定到柄的切削部分。切削部分可包括切削面、内表面和外表面。钻孔工具还可包括一个或多个水道，所述水道由从切削部分的内表面延伸到外表面的第一侧表面、从切削部分的内表面延伸到外表面的相对第二侧表面、以及在第一侧表面和第二侧表面之间延伸并且从切削部分的内表面延伸到外表面的顶部表面限定。顶部表面可沿大致从切削面朝向柄的方向从切削部分的内表面到外表面渐缩。

此外，地钻钻头的具体实施可包括柄和固定到柄并且延伸远离柄的钻冠。钻冠可包括切削面、内表面和外表面。钻头还可包括多个凹口，所述凹口在内表面处以第一距离延伸到切削面中并且在外表面处以第二距离延伸到切削面中。第二距离可大于所述第一距离，并且多个凹口可从钻冠的内表面延伸到外表面。

形成具有轴向渐缩的水道的钻头的方法的具体实施可涉及形成由硬颗粒材料和多种研磨切削介质构成的环形钻冠。该方法还可涉及将多个塞放置在环形钻冠内。多个塞中的每个塞可沿着其长度从第一端部到相对第二端部增加纵向尺寸。该方法可另外涉及用粘结剂材料渗透环形钻冠，该粘结剂材料被构造成粘结到硬颗粒材料和多种研磨切削介质。此外，该方法可涉及从渗透的环形钻冠移除多个塞以暴露多个轴向渐缩的水道。

除上述之外，钻孔系统可包括钻机、适于固定到钻机并且由钻机旋转的钻柱、以及适于固定到钻柱的钻头。钻头可包括柄和环形钻冠。环形钻冠可包括纵向轴线、切削面、内表面和外表面。环形钻冠可限定围绕纵向轴线的内部空间以用于接纳钻芯样品。环形钻冠还可包括从内表面延伸到外表面的至少一个水道。至少一个水道可为轴向渐缩的，由此至少一个水道在环形钻冠的外表面处的纵向尺寸大于至少一个水道在环形钻冠的内表面处的纵向尺寸。

在一个方面，本文所公开的是具有纵向轴线的岩芯取样钻头。岩芯取样钻头可包括柄和环形钻冠。环形钻冠可围绕钻头的纵向轴线。环形钻冠可具有切削面、内表面和外表面。环形钻冠和柄可配合以限定围绕纵向轴线的被构造成接纳钻芯样品的内部空间。环形钻冠可限定单个凹口，并且凹口可从内表面到外表面径向延伸。凹口可相对于纵向轴线从切削面轴向延伸到环形钻冠的至少一部分中。环形钻冠可进一步限定多个孔。多个孔中的每个孔可在内表面和外表面之间封闭在环形钻冠内。多个孔中的至少一个孔可从切削面延伸到内部空间。还公开了包括钻头的钻孔系统。

本发明的示例性具体实施的另外特征和优点将在以下说明中阐述，而且将部分地从该描述中显而易见，或者可通过此类示例性具体实施的实践而获知。通过在所附权利要求中特别指出的器械和组合，可实现和获得此类具体实施的特征和优点。通过下面的说明和所附权利要求，这些和其他特征将变得显而易见，或者可通过下文列出的此类示例性具体实施的实践而获知。

附图说明

为了描述可获得本发明的上述和其他优点和特征的方式，将通过参考附图中所示的本发明的特定实施例，来更具体地描述以上简述的本发明。应当指出的是，附图并未按比例绘制，并且为说明目的，在所有图中类似结构或功能的元件一般由相似的参考数字表示。应当理解，这些附图仅描述本发明的典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图用附加特征和细节来描述和说明本发明，其中：

图1示出根据本发明的具体实施的包括轴向渐缩的水道的钻孔工具的透视图；

图2示出图1的钻孔工具的仰视图；

图3示出图2的钻孔工具沿着图2的剖面线3-3截取的局部剖视图；

图4示出根据本发明的具体实施的包括轴向渐缩和径向渐缩的水道的钻孔工具的透视图；

图5示出图4的钻孔工具的仰视图；

图6示出图5的钻孔工具沿着图5的剖面线6-6截取的局部剖视图；

图7示出根据本发明的另一个具体实施的包括轴向渐缩和双径向渐缩的水道的钻孔工具的仰视图；

图8示出根据本发明的具体实施的包括轴向渐缩的凹口和轴向渐缩封闭狭槽的钻孔工具的透视图；

图9示出图8的钻孔工具沿着图8的剖面线9-9截取的剖视图；

图10示出图9的钻孔工具沿着图9的剖面线10-10截取的局部剖视图；

图11示出根据本发明的具体实施的包括具有轴向渐缩的水道的钻孔工具的钻孔系统的示意图；

图12示出根据本发明的具体实施的用于形成具有轴向渐缩的水道的钻孔工具的塞的透视图；

图13示出图11的塞的侧视图；并且

图14示出图11的塞的俯视图。

图15示出如本文所公开的具有单个凹口和多个孔的示例性钻头的透视图。

图16示出图15的钻头的底部透视图。

图17示出图15的钻头的俯视图。

图18示出如本文所公开的将单个凹口限定于钻头中的环形钻冠的侧表面的分离、局部透明的视图。如图所示，多个耐磨构件部分地嵌入至限定钻头的凹口的底部表面和侧表面的部分。嵌入至底部表面和侧表面的耐磨构件的部分以虚线示出，而从底部表面和侧表面延伸的耐磨构件的部分以实线示出。

图19示出如本文所公开的具有单个凹口和多个孔的另一个示例性钻头的透视图。

图20示出图19的钻头的俯视图。

图21示出如本文所公开的具有单个凹口和多个孔的另一个示例性钻头的透视图。

图22示出图21的钻头的俯视图。

具体实施方式

本发明的具体实施涉及可提供钻孔流体在钻孔工具的切削面周围的改善流动的钻孔工具、系统和方法。例如，本发明的一个或多个具体实施包括具有水道的钻孔工具，其可增加钻孔流体在水道入口处的速度，并且从而提供改善的切屑的冲洗。具体地讲，本发明的一个或多个具体实施包括具有轴向渐缩的水道的钻孔工具。

鉴于本文的公开内容，应当理解，根据本发明的一个或多个具体实施的轴向渐缩的水道可确保水道在钻孔工具的内表面中的开口小于水道在钻孔工具的外表面中的开口。因此，水道可通过增加钻孔流体在钻孔工具的内表面中的水道入口处的速度来像喷嘴一样起作用。轴向渐缩的水道增加钻孔流体在水道入口处的速度的能力可提供切屑的增加冲洗，并且可有助于防止水道的堵塞。此外，轴向渐缩的水道可提供钻孔流体的改善流动而不显著牺牲在内径处的钻头体体积或减小钻头面的切削表面。因此，本发明的一个或多个具体实施的轴向渐缩的水道可提供提高的钻孔性能和增加的钻孔寿命。

除此之外或作为另外一种选择，为了具有轴向渐缩的水道，在本发明的一个或多个具体实施中，钻孔工具可包括轴向和径向渐缩的水道(或者换句话讲，双渐缩的水道)。鉴于本文的公开内容，应当理解，双渐缩的水道可有助于确保水道在其从钻孔工具的内表面延伸到钻孔工具的外表面时增加每条轴线的尺寸。双渐缩的水道的增加尺寸可减小碎屑留在水道内的可能性，并且因此提高钻孔工具的钻孔性能。

此外，双渐缩的水道可允许在内径处的较小水道开口，同时还允许在外径处的较大水道开口。因此，本发明的一个或多个具体实施可增加在内径处的基质材料的量，并且从而有助于增加钻头的寿命同时还提供有效的冲洗。此类钻头的增加寿命可通过减少使钻柱从钻孔脱开以置换过早磨损的钻头的需要来降低钻孔成本。

本文所述的钻孔工具可用于切削岩石、地下矿物地层、陶瓷、沥青、混凝土以及其他硬材料。这些钻孔工具可包括例如岩芯取样钻头、刮刀钻头、滚锥钻头、扩孔钻、稳定器、壳体或杆闸瓦(rod shoe)等。为了便于描述，附图和包含在下文中的对应文本阐释了孕镶岩芯取样钻头的例子，以及形成此类钻头和使用此类钻头的方法。然而，鉴于本文的公开内容，应当理解，本发明的系统、方法和装置可与其他钻孔工具(诸如上文所述的那些)一起使用。

现在参见附图，图1和图2分别示出钻孔工具100的透视图和俯视图。更具体地讲，图1和图2示出根据本发明的具体实施的具有轴向渐缩的水道的孕镶岩芯取样钻头100。如图1所示，钻头100可包括柄或坯体102，其可被构造成将钻头100连接到钻柱的部件。钻头100还可包括切削部分或钻冠104。

图1和图2还示出钻头100可限定围绕其中心轴线106的内部空间以用于接纳钻芯样品。因此，柄102和钻冠104两者可具有由内表面107和外表面108限定的大致环形形状。因此，被钻孔的材料片可穿过钻头100的内部空间并且向上穿过附接的钻柱。钻头100可为任何尺寸，并且因此可用于收集任何尺寸的钻芯样品。虽然钻头100可具有任何直径并且可用于移除和收集具有任何所需直径的钻芯样品，但在一些具体实施中，钻头100的直径可在约1英寸至约12英寸的范围内。同样，虽然钻头100的切口(即，外表面的半径减去内表面的半径)可为任何宽度，但根据一些具体实施，切口可在约1/4英寸至约6英寸的范围内。

钻冠104可被构造成在钻孔过程期间对所需材料进行切削或钻孔。具体地讲，钻头100的钻冠104可包括切削面109。切削面109可被构造成在钻头100旋转并且被推进到地层中时对材料进行钻孔或切削。如图1和图2所示，在一个或多个具体实施中，切削面109可包括大致轴向延伸到切削面109中的多个凹槽110。凹槽110可有助于允许新钻头100的快速启动。在可选的具体实施中，切削面109可不包括凹槽110或者可包括其他特征以便有助于钻孔过程。

切削面109还可包括水道，该水道可允许钻孔流体或其他润滑剂流过切削面109以有助于在钻孔期间提供冷却。例如，图1示出钻冠104可包括从切削面109沿大致轴向方向延伸到钻头100的钻冠104中的多个凹口112。另外，凹口112可从钻冠104的内表面107延伸到钻冠104的外表面108。作为水道，凹口112可允许钻孔流体从钻冠104的内表面107流动到钻冠104的外表面108。因此，凹口112可允许钻孔流体将切屑和碎屑从钻头100的内表面107冲洗到外表面108，并且还向切削面109提供冷却。

钻冠104可具有任何数量的凹口，其提供所需量的流体/碎屑流并且还允许钻冠104维持所需的结构完整性。例如，图1和图2示出钻头100包括九个凹口112。鉴于本文的公开内容，应当理解，本发明并未如此限制。在另外的具体实施中，钻头100可包括至少一个凹口或多至20或更多个凹口，这取决于所需构型和待钻孔的地层。另外，凹口112可围绕钻冠104的周长均匀或不均匀地间隔开。例如，图2示出围绕钻冠104的周长彼此均匀间隔开的九个凹口112。然而，在可选的具体实施中，凹口112可交错或换句话讲不会均匀地间隔开。

如图1和图2所示，每个凹口112可由至少三个表面112a,112b,112c限定。具体地讲，每个凹口112可由第一侧表面112a、相对侧表面112b和顶部表面112c限定。在本发明的一些具体实施中，侧表面112a,112b中的每个可沿大致垂直于钻冠104的内表面的方向从钻冠104的内表面107延伸到钻冠104的外表面108，如图2所示。因此，在本发明的一些具体实施中，每个凹口112在钻冠104的外表面108处的宽度114可大致等于每个凹口112在钻冠104的内表面107处的宽度116。换句话讲，在第一侧表面112a和第二侧表面112b之间的每个凹口112在外表面108处的周向距离114可大致等于在第一侧表面112a和第二侧表面112b之间的每个凹口112在内表面107处的周向距离116。在本发明的可选具体实施中，如下文中更详细地解释，侧表面112a,112b中的一个或多个可具有径向和/或周向锥度。

因此，凹口112可具有允许其按照预期操作的任何形状。具体地讲，凹口112的形状和构型可根据钻头100所需的特性或待钻孔的地层的特性而改变。例如，图2示出当从切削面109观察时，凹口可具有矩形形状。然而，在可选的具体实施中，凹口可具有正方形、三角形、圆形、梯形、多边形、椭圆形形状或它们的任何组合。

此外，凹口112可具有允许其按照预期操作的任何宽度或长度。例如，图2示出凹口112可具有大于其宽度(即，相对侧表面112a和112b之间的距离)的长度(即，从内表面107到外表面108的距离)。然而，在本发明的可选具体实施中，凹口112可具有大于其长度的宽度，或大致等于其长度的宽度。

此外，钻冠104中的单独凹口112可被构造成均匀地具有相同尺寸和形状，或可选地具有不同尺寸和形状。例如，图1-图3示出钻冠104中的所有凹口112具有相同尺寸和构型。然而，在另外的具体实施中，钻冠104的各个凹口112可具有不同尺寸和构型。例如，在一些具体实施中，钻头100可包括围绕钻冠104的周长交替的两种不同尺寸的凹口112。

如前所述，水道(即，凹口112)可为轴向渐缩的。具体地讲，如图3所示，每个凹口112的顶部表面112c可沿大致从切削面109朝向柄102的方向从内表面107到外表面108渐缩。换句话讲，每个凹口112的高度或纵向尺寸可随着凹口112从钻冠104的内表面107延伸到外表面108而增加。因此，如图3所示，在一些具体实施中，每个凹口112在外表面108处的纵向尺寸124可大于每个凹口112在内表面107处的纵向尺寸120。换句话讲，每个凹口112可在内表面107处以第一距离120延伸到切削面109中并且在外表面120处以第二距离124延伸到切削面109中，其中第二距离124大于第一距离120。

鉴于本文的公开内容，应当理解，凹口112的轴向锥度可有助于确保每个凹口112在内表面107处的开口小于每个凹口112在钻冠104的外表面108处的开口。开口尺寸的该差异可在钻孔流体传递到钻冠104的外表面108时增加其在内表面107处的速度。因此，如上所述，凹口112的轴向锥度可提供切屑的更有效冲洗和切削面109的冷却。此外，凹口112的增加尺寸还可有助于确保在钻孔流体迫使碎屑从内表面107到外表面108时，碎屑不会阻塞或堵塞在凹口112中。

另外，如图2和图3所示，凹口112的轴向锥度可向凹口112提供增加的尺寸而不减小切削面109的尺寸。在本发明的一个或多个具体实施中，应当理解，切削面109的增加表面积可提供更有效的钻孔。此外，凹口112的轴向锥度可提供增加的冲洗和冷却，同时也不减小钻冠材料在内表面107处的体积。钻冠材料在内表面107处的增加体积可有助于增加钻头100的钻孔寿命。

除了凹口112之外，钻冠104可包括另外的特征，所述特征可进一步有助于将钻孔流体或其他润滑剂引导到切削面109，或从钻冠104的内表面107引导到外表面108。例如，图1-图3示出钻头110可包括径向延伸到钻冠104中的多个槽122,124。具体地讲，在本发明的一些具体实施中，钻头100可包括从内表面107朝向外表面108径向延伸的多个内槽122。多个内槽122可有助于将钻孔流体沿着钻头100的内表面107从柄102朝向切削面109引导。如图1-图3所示，在本发明的一些具体实施中，内槽122可沿着钻冠104的内表面107从柄102轴向延伸到凹口112。因此，内槽122可有助于将钻孔流体引导到凹口112。在可选的具体实施中，内槽122可从柄102延伸到切削面109，或者甚至沿着柄102延伸。

图1-图3另外示出，在一些具体实施中，钻头100可包括多个外槽124。外槽124可从钻冠104的外表面108朝向内表面107径向延伸。多个外槽124可有助于将钻孔流体沿着钻头100的外表面108从凹口112朝向柄102引导。如图1-图3所示，在本发明的一些具体实施中，外槽124可沿着外表面108从凹口112轴向延伸到柄102。在可选的具体实施中，外槽124可从切削面109延伸到柄102，或者甚至沿着柄102延伸。

如前所述，本发明的一个或多个具体实施可包括双渐缩的水道。例如，图4-图6示出包括双渐缩的水道的钻孔工具200的各种视图。具体地讲，图4示出具有双渐缩的凹口的岩芯取样钻头200的透视图，图5示出其仰视图，并且图6示出其局部剖视图。类似于钻头100，钻头200可包括柄202和钻冠204。

钻冠204可具有由内表面207和外表面208限定的大致环形形状。钻冠204可另外从柄202延伸并且终止于切削面209。如图4所示，在本发明的一些具体实施中，切削面209可沿大致垂直于钻头200的纵向轴线206的方向从内表面207延伸到外表面208。在一些具体实施中，切削面209可包括多个凹槽210。钻冠204还可包括多个双渐缩的水道212，如下文更详细地解释。

如前所述，钻头200可包括双渐缩的水道。例如，图5示出凹口212中的每个可包括除轴向锥度之外的径向锥度。更具体地讲，每个凹口212可由至少三个表面212a,212b,212c限定。具体地讲，每个凹口212可由第一侧表面212a、相对侧表面212b和顶部表面212c限定。在本发明的一些具体实施中，第一侧表面212a可沿大致垂直于钻冠204的内表面的方向从钻冠204的内表面207延伸到钻冠204的外表面208，如图5所示。

如前所述，水道(即，凹口212)可为径向渐缩的。具体地讲，如图5所示，每个凹口212的第二侧表面212b可沿围绕切削面209的周长大致顺时针的方向从内表面207到外表面208渐缩。如本文所用，术语“顺时针”和“逆时针”是指当观察钻头的切削面时相对于钻头的纵向轴线的方向。因此，每个凹口212的宽度可随着凹口212从钻冠204的内表面207延伸到外表面208而增加。因此，如图5所示，在一些具体实施中，每个凹口212在外表面208处的宽度214可大于每个凹口212在内表面207处的宽度216。换句话讲，在第一侧表面212a和第二侧表面212b之间的每个凹口212在外表面208处的周向距离214可大于在第一侧表面212a和第二侧表面212b之间的每个凹口212在内表面207处的周向距离216。

鉴于本文的公开内容，应当理解，凹口212的径向锥度可确保每个凹口212在内表面207处的开口小于每个凹口212在钻冠204的外表面208处的开口。开口尺寸的该差异可在钻孔流体传递到钻冠204的外表面208时增加其在内表面207处的速度。因此，如上所述，凹口212的径向锥度可提供切屑的更有效冲洗和切削面209的冷却。此外，凹口212的增加宽度还可有助于确保在钻孔流体迫使碎屑从内表面207到外表面208时，碎屑不会阻塞或堵塞在凹口212中。

图4-图6示出凹口212的径向锥度可由渐缩的第二侧表面212b形成。应当理解，作为另外一种选择，第一侧表面212a可具有锥度。例如，第一侧表面212a可沿围绕切削面209的周长大致逆时针的方向从内表面207到外表面208渐缩。另外，在一些具体实施中，第一侧表面212a和第二侧表面212b两者均可具有沿围绕切削面209的周长大致顺时针的方向从内表面207延伸到外表面208的锥度。在此类具体实施中，第二侧表面212b的径向锥度可以下述方式具有比第一侧表面212a更大的锥度：凹口212的宽度随凹口212从内表面207延伸到外表面208而增加。

如前所述，除了径向渐缩之外，水道(即，凹口212)可为轴向渐缩的。具体地讲，如图6所示，每个凹口212的顶部表面212c可沿大致从切削面209朝向柄202的方向从内表面207到外表面208渐缩。换句话讲，每个凹口212的纵向尺寸可随着凹口212从钻冠204的内表面207延伸到外表面208而增加。因此，如图6所示，在一些具体实施中，每个凹口212在外表面208处的纵向尺寸224可大于每个凹口212在内表面207处的纵向尺寸220。换句话讲，每个凹口212可在内表面207处以第一距离220延伸到切削面209中并且在外表面208处以第二距离224延伸到切削面209中，其中第二距离224大于第一距离220。

鉴于本文的公开内容，应当理解，凹口212的轴向锥度可有助于确保每个凹口212在内表面207处的开口小于每个凹口212在钻冠204的外表面208处的开口。开口尺寸的该差异可在钻孔流体传递到钻冠204的外表面208时增加其在内表面207处的速度。因此，如上所述，凹口212的轴向锥度可提供切屑的更有效冲洗和切削面209的冷却。此外，凹口212的增加尺寸还可有助于确保在钻孔流体迫使碎屑从内表面207到外表面208时，碎屑不会阻塞或堵塞在凹口212中。

鉴于本文的公开内容，应当理解，双渐缩的凹口212可确保凹口212在其从钻头200的内表面207延伸到外表面208时增加每条轴线(即，径向和轴向两者)的尺寸。双渐缩的凹口212的增加尺寸可减小碎屑留在凹口212内的可能性，并且因此提高钻头200的钻孔性能。此外，如前所述，双渐缩的凹口212的增加尺寸可有助于使基质材料在内表面107处的体积最大化，从而可通过减少在内表面207处的过早钻头磨损来增加钻头200的寿命。

除了水道之外，钻冠204可包括用于引导钻孔流体的多个槽，类似于本文在以上相对于钻头100所述的槽。例如，在本发明的一些具体实施中，钻头200可包括可从内表面207朝向外表面208径向延伸的多个内槽222。多个内槽222可有助于将钻孔流体沿着钻头200的内表面207从柄202朝向切削面209引导。如图4-图6所示，在本发明的一些具体实施中，内槽222可沿着内表面207从柄202轴向延伸到凹口212。因此，内槽222可有助于将钻孔流体引导到凹口212。

另外，钻冠204可包括全内槽222a。如图4所示，全内槽222a可从柄202延伸到切削面209而不与凹口212相交。与之相似，钻头200可包括外槽224和全外槽224a。外槽224可从柄202延伸到凹口212，而全外槽224a可从柄202延伸到切削面209而不与凹口212相交。在可选的具体实施中，全内槽222a和/或全外槽224a可从柄202延伸到切削面209并且还沿着凹口212的侧表面212a,212b运行。

如前所述，在本发明的一个或多个具体实施中，钻孔工具的水道可具有径向锥度。例如，图4-图6示出具有第二侧表面212b的凹口212，该第二侧表面具有径向锥度。作为另外一种选择，两个侧表面均可具有径向锥度。例如，图7示出包括双渐缩的凹口312的岩芯取样钻头300的仰视图，其中侧表面312a,312b中的两者均具有径向锥度。

类似于本文在以上所述的其他钻头，钻头300可包括柄302和钻冠304。钻冠304可具有由内表面307和外表面308限定的大致环形形状。钻冠304因此可限定围绕中心轴线306的空间以用于接纳钻芯样品。钻冠304可另外从柄302延伸并且终止于切削面309。切削面309可包括在其中延伸的多个凹槽310。另外，钻头300可包括内槽322和外槽324以用于围绕钻头300引导钻孔流体。

此外，如图7所示，每个凹口312的第二侧表面312b可沿围绕切削面309的周长大致顺时针的方向从钻冠304的内表面307到外表面308渐缩。另外，每个凹口312的第一侧表面312a可沿围绕切削面309的周长大致逆时针的方向从钻冠304的内表面307到外表面308渐缩。因此，每个凹口312的宽度可随着凹口312从钻冠304的内表面307延伸到外表面308而增加。

因此，如图7所示，在一些具体实施中，每个凹口312在外表面308处的宽度314可大于每个凹口312在内表面307处的宽度316。换句话讲，在第一侧表面312a和第二侧表面312b之间的每个凹口312在外表面308处的周向距离314可大于在第一侧表面312a和第二侧表面312b之间的每个凹口312在内表面307处的周向距离316。

本文在以上所述的轴向渐缩的水道中的每个一直是延伸到钻冠的切削面中的凹口。鉴于本文的公开内容，应当理解，本发明可包括具有轴向锥度的各种其他或另外的水道。例如，本发明的一个或多个具体实施的钻孔工具可包括具有轴向锥度的一个或多个封闭流体狭槽，诸如2006年12月14日提交的名称为“Core Drill Bit with Extended CrownLongitudinal dimension(具有伸展钻冠纵向尺寸的取芯钻头)”的美国专利申请序列号11/610,680中所述的封闭流体狭槽，该申请的内容据此以引用方式全文并入本文中。

例如，图8-图10示出包括轴向渐缩的凹口和轴向渐缩的封闭狭槽两者的岩芯取样钻头400的各种视图。类似于本文在以上所述的其他钻头，钻头400可包括柄402和钻冠404。钻冠404可具有由内表面407和外表面408限定的大致环形形状。钻冠404可另外从柄402延伸并且终止于切削面409。在一些具体实施中，切削面409可包括在其中延伸的多个凹槽410，如图8-图10所示。

如图8所示，钻头400可包括构型类似于上文相对于图4-图6所述的双渐缩的凹口212的双渐缩的凹口412。因此，凹口412可包括顶部表面412c，该顶部表面可沿大致从切削面409朝向柄402的方向从内表面407到外表面408渐缩。另外，每个凹口412的第一侧表面412a可沿大致垂直于钻冠404的内表面的方向从钻冠404的内表面407延伸到钻冠404的外表面408。此外，每个凹口412的第二侧表面412b可沿围绕切削面409的周长大致顺时针的方向从内表面407到外表面408渐缩。

除了双渐缩的凹口412之外，钻头可包括多个封闭狭槽430。如下文更详细地解释，封闭狭槽430可具有轴向和/或径向锥度。应当理解，由于钻冠404通过钻孔磨蚀，所以凹口412可被磨损掉。随着磨蚀进行，封闭狭槽430可变得暴露在切削面409处并且因此变成凹口。应当理解，钻头400的构型因此可允许钻冠404的纵向尺寸伸展和加长，而基本上不降低钻头400的结构完整性。钻冠404的伸展纵向尺寸可继而允许钻头400持续更长时间并且需要更少地装入和脱开钻孔来置换钻头400。

具体地讲，图8示出钻冠404可包括从切削面409朝向钻头400的柄402延伸一定距离的多个封闭狭槽430。另外，封闭狭槽430可从钻冠404的内表面407延伸到钻冠404的外表面408。作为水道，封闭狭槽430可允许钻孔流体从钻冠404的内表面407流动到钻冠404的外表面408。因此，封闭狭槽430可允许钻孔流体将切屑和碎屑从钻头400的内表面407冲洗到外表面408，并且还向切削面409提供冷却。

钻冠404可具有任何数量的封闭狭槽430，其提供所需量的流体/碎屑流或钻冠纵向尺寸，同时还允许钻冠404维持所需的结构完整性。例如，图8和图10示出钻头400可包括六个封闭狭槽430。鉴于本文的公开内容，应当理解，本发明并未如此限制。在另外的具体实施中，钻头400可包括至少一个封闭狭槽或多至20或更多个封闭狭槽，这取决于所需构型和待钻孔的地层。另外，封闭狭槽430可围绕钻冠404的周长均匀或不均匀地间隔开。例如，图8-图10示出围绕钻冠404的周长彼此均匀间隔开的封闭狭槽430。然而，在可选的具体实施中，封闭狭槽430可交错或换句话讲不会均匀地间隔开。

如图8所示，每个封闭狭槽430可由四个表面430a、430b、430c和430d限定。具体地讲，每个封闭狭槽430可由第一侧表面430a、相对侧表面430b、顶部表面430c和相对底部表面430d限定。在本发明的一些具体实施中，侧表面430a,430b中的每个可沿大致垂直于钻冠404的内表面的方向从钻冠404的内表面407延伸到钻冠404的外表面408。在本发明的可选具体实施中，如下文中更详细地解释，侧表面430a,430b中的一个或多个可具有径向和/或周向锥度。

因此，封闭狭槽430可具有允许其按照预期操作的任何形状，并且该形状可根据钻头400所需的特性或待钻孔的地层的特性而改变。例如，图9示出封闭狭槽可具有梯形形状。然而，在可选的具体实施中，封闭狭槽430可具有正方形、三角形、圆形、矩形、多边形、或椭圆形形状，或它们的任何组合。

此外，封闭狭槽430可具有允许其按照预期操作的任何宽度或长度。例如，图9示出封闭狭槽430可具有大于其宽度(即，相对侧表面430a和430b之间的距离)的长度(即，从内表面407到外表面408的距离)。此外，钻冠404中的单独封闭狭槽430可被构造成均匀地具有相同尺寸和形状，或可选地具有不同尺寸和形状。例如，图8-图10示出钻冠404中的所有封闭狭槽430可具有相同尺寸和构型。然而，在另外的具体实施中，钻冠404的各个封闭狭槽430可具有不同尺寸和构型。

此外，钻冠404可包括各个行的水道。例如，图8示出钻冠404可包括从切削面409以第一距离432延伸到钻冠404中的一行凹口412。另外，图8示出钻冠404可包括距切削面409第二距离434开始于钻冠404中的第一行封闭狭槽430，以及距切削面409第三距离436开始于钻冠404中的第二行封闭狭槽430。在本发明的可选具体实施中，钻冠404可包括单个行的封闭狭槽430或多个行的封闭狭槽430，其各自彼此轴向交错。

在一些情况下，凹口412的一部分可与第一行封闭狭槽430轴向重叠。换句话讲，第一距离432可大于第二距离434。与之相似，第一行中的封闭狭槽430的一部分可与第二行中的封闭狭槽轴向重叠。鉴于本文的公开内容，应当理解，水道412,430的轴向重叠可有助于确保在凹口412于钻孔期间完全磨蚀掉之前，第一行封闭狭槽430将打开以变成凹口412，从而在钻头400磨蚀时允许钻头400继续有效地切削。

另外，如图8所示，第一行中的封闭狭槽430可从凹口412周向偏移。类似地，第二行中的封闭狭槽430可从第一行中的封闭狭槽430以及凹口412周向偏移。在可选的具体实施中，第一行和第二行中的封闭狭槽430中的一个或多个可彼此或与凹口412周向对准。

如前所述，在一个或多个具体实施中，封闭狭槽430可具有双锥度。例如，图9示出封闭狭槽430中的每个可具有径向锥度。在本发明的一些具体实施中，第一侧表面430a可沿大致垂直于钻冠404的内表面407的方向从钻冠404的内表面407延伸到钻冠404的外表面408，如图9所示。

此外，每个封闭狭槽430的第二侧表面430b可沿围绕钻冠404的周长大致顺时针的方向从内表面407到外表面408渐缩。换句话讲，每个封闭狭槽430的宽度可随着封闭狭槽430从钻冠404的内表面407延伸到外表面408而增加。因此，如图9所示，在一些具体实施中，每个封闭狭槽430在外表面408处的宽度414可大于每个封闭狭槽430在内表面407处的宽度416。换句话讲，在第一侧表面430a和第二侧表面430b之间的每个封闭狭槽430在外表面408处的周向距离414可大于在第一侧表面430a和第二侧表面430b之间的每个封闭狭槽430在内表面407处的周向距离416。

鉴于本文的公开内容，应当理解，封闭狭槽430的径向锥度可确保每个封闭狭槽430在内表面407处的开口小于每个封闭狭槽430在钻冠404的外表面408处的开口。开口尺寸的该差异可在钻孔流体传递到钻冠404的外表面408时增加其在内表面407处的速度。因此，如上所述，封闭狭槽430的径向锥度可提供切屑的更有效冲洗和钻头400的冷却。此外，封闭狭槽430的增加宽度还可有助于确保在钻孔流体迫使碎屑从内表面407到外表面408时，碎屑不会阻塞或堵塞在封闭狭槽430中。

图8-图10还示出封闭狭槽430的径向锥度可由渐缩的第二侧表面430b形成。应当理解，作为另外一种选择或除此之外，第一侧表面430a可具有锥度。例如，第一侧表面430a可沿围绕钻冠404的周长大致逆时针的方向从内表面407到外表面408渐缩。

如前所述，除了径向渐缩之外，水道(即，封闭狭槽430)可为轴向渐缩的。具体地讲，如图10所示，每个封闭狭槽430的顶部表面430c可沿大致从切削面409朝向柄402的方向从内表面407到外表面408渐缩。换句话讲，每个封闭狭槽430的纵向尺寸可随着封闭狭槽430从钻冠404的内表面407延伸到外表面408而增加。因此，如图10所示，在一些具体实施中，每个封闭狭槽430在外表面408处的纵向尺寸444可大于每个封闭狭槽430在内表面407处的纵向尺寸442。或者换句话讲，每个封闭狭槽430在外表面408处的顶部表面430c距切削面409可比每个封闭狭槽430在内表面407处的顶部表面430c更远。

作为另外一种选择或除此之外，每个封闭狭槽430的底部表面430d可沿大致从柄402朝向切削面409的方向从内表面407到外表面408渐缩。换句话讲，每个封闭狭槽430的纵向尺寸可随着封闭狭槽430从钻冠404的内表面407延伸到外表面408而增加。或者换句话讲，每个封闭狭槽430在外表面408处的底部表面430d可比每个封闭狭槽430在内表面407处的底部表面430d更靠近切削面409。因此，在一些具体实施中，封闭狭槽430可具有双轴向锥度，其中顶部表面430c和底部表面430d均具有锥度。

鉴于本文的公开内容，应当理解，封闭狭槽430的轴向锥度可确保每个封闭狭槽430在内表面407处的开口小于每个封闭狭槽430在钻冠404的外表面408处的开口。开口尺寸的该差异可在钻孔流体传递到钻冠的外表面408时增加其在内表面407处的速度。因此，如上所述，封闭狭槽430的轴向锥度可提供切屑的更有效冲洗和钻头404的冷却。此外，封闭狭槽430的增加尺寸还可有助于确保在钻孔流体迫使碎屑从内表面407到外表面408时，碎屑不会阻塞或堵塞在封闭狭槽430中。

鉴于本文的公开内容，应当理解，双渐缩的封闭狭槽430可确保封闭狭槽430在其从钻头400的内表面407延伸到外表面408时增加每条轴线的尺寸。双渐缩的封闭狭槽430的增加尺寸可减小碎屑留在封闭狭槽430内的可能性，并且因此提高钻头400的钻孔性能。此外，双渐缩的封闭狭槽430可提供有效的冲洗，同时还减少在钻头400的内表面407处的材料移除。因此，双渐缩的封闭狭槽430可通过帮助减少靠近内表面407的钻头400的过早磨损而有助于增加钻头的钻孔寿命。

图8-图10进一步示出水道412,430的拐角可包括圆形表面或斜面。水道412,430的拐角的圆形表面可有助于减少应力集中，并且因此可有助于增加钻头400的强度。

除了水道之外，钻冠404可包括用于引导钻孔流体的多个槽，类似于本文在以上相对于钻头200所述的槽。例如，在本发明的一些具体实施中，钻头400可包括从内表面407朝向外表面408径向延伸的多个内槽422。多个内槽422可有助于将钻孔流体沿着钻头400的内表面407从柄402朝向切削面409引导。如图8-图10所示，在本发明的一些具体实施中，内槽422可沿着内表面407从柄402轴向延伸到凹口412。因此，内槽422可有助于将钻孔流体引导到凹口412。

另外，钻冠404可包括与封闭狭槽430相交的全内槽422b。如图10所示，全内槽422a可从柄402延伸到切削面409。在本发明的一些具体实施中，全内槽422b可与一个或多个封闭狭槽430相交，如图10所示。与之相似，钻头400可包括外槽424和全外槽424a。外槽424可从柄402延伸到凹口412，而全外槽424a可从柄402延伸到切削面409同时也与封闭狭槽430相交。

除了水道412,430和槽422,424之外，钻头400还可包括封闭流体通道440。封闭流体通道440可在内表面407和外表面408之间封闭在钻头400内。此外，如图10所示，封闭流体通道440可从柄402延伸到水道412,430或者延伸到切削面409。封闭流体通道440可因此将钻孔流体引导到切削面409而不必流过钻冠404的内表面407。鉴于本文的公开内容，应当理解，当在砂质、破碎或分段地层中钻孔时，封闭流体通道440可有助于确保钻芯样品不被钻孔流体冲出钻头400。

本发明的一些具体实施可包括对于封闭流体通道440额外或可选的特征，所述特征可有助于防止洗掉钻芯样品。例如，在一些具体实施中，钻头400可包括沿着钻冠404的内表面407的薄壁。薄壁可封闭水道412,430，使得所述水道不会径向延伸到钻冠404的内部。薄壁可有助于减少流动到钻冠404内部的任何流体，并且因此有助于防止砂质或分段钻芯样品被洗掉。此外，钻头400可不包括内槽422。鉴于本文的公开内容，应当理解，在此类具体实施中，钻孔流体可流动到封闭流体通道440中，在钻冠404内轴向流动到水道412,430，并且然后流出水道412,430到切削面409或外表面408。

图15-图22示出示例性岩芯取样钻头700的各种视图。钻头700具有纵向轴线706。在示例性方面，钻头700可包括柄702和环形钻冠704。设想到，钻头700相对于常规的钻头可提供改进的渗透率。另外设想到，如相对于常规的钻头所测量，钻头700可提供钻头切削面的增强的碎屑/切屑去除和增强的冷却。还设想到，钻头700相对于常规的钻头可提供改进的耐磨性。

在一个方面，环形钻冠704可具有邻接外部周向表面708和内表面707的切削面709。设想到，环形钻冠704和柄702可配合以限定围绕纵向轴线706的内部空间705(诸如图16所示)。另外设想到，内部空间705可被构造成在使用钻头700的过程中接纳水或其他钻孔流体。在一个方面，水或其他钻孔流体可在所需的压力下供给内部空间705。

在另一方面，并且参照图15-图17，类似于如本文所述的钻头400，环形钻冠704可限定多个流体通道或孔740，其中至少一个孔从切削面709延伸到内部空间705。任选地，多个孔中的每个孔740可从切削面709延伸到内部空间705。在另外的方面，并且如图15-图17所示，多个孔中的每个孔740可在内表面707和外表面708之间封闭在环形钻冠704内。在操作中，设想到，多个孔740可被构造成从内部空间705基本上直接将水(或其他钻孔流体)引导到切削面709。另外设想到，直接向切削面709供给加压水(或其他钻孔流体)可增加切削面上的流速，从而允许更快速去除切屑并且显著地增加切削面的对流冷却。另外设想到，多个孔740可相对于常规的钻头减少切削面709的接触面积，从而提高钻头700的渗透率。以设想到，多个孔740可相对于切削面709允许水(或其他钻孔流体)的异常分布，从而提高钻头700的耐磨性。以设想到，多个孔740可在水(或其他钻孔流体)在切削面709上的分配中提供灵活性。设想到，多个孔740可基本上对应于如本文相对于其他示例性钻头所述的流体通道，诸如但不限于本文相对于钻头400所述的流体通道440。

在示例性方面，多个孔740可围绕切削面709任选地基本上等距分布。任选地，在一些方面，如图21-图22所示，多个孔740可与钻头700的中心点701随机地间隔开。在其他方面，多个孔740可围绕切削面709选择性地图案化。例如，在一个示例性方面，多个孔740可任选地与钻头700的中心点701基本上均匀地间隔开。在这些方面，并且参照图17，设想到，可提供至少两个同心的行的孔740，其中在每个相应的行中的孔与钻头700的中心点701基本上均匀地间隔开。任选地，在其他示例性方面，至少两个同心的行的孔可包括内同心的行的孔740a和外同心的行的孔740b。在这些方面，设想到，外同心的行的每个相应孔740b可相对于内同心的行的对应孔740a以所选的取向定位。在另外的示例性方面，设想到，多个孔可包括多对孔，其中每对孔包括内同心的行孔的内孔740a和外同心的行孔的对应外孔740b。设想到，每个孔740a,740b可具有各自的中心点741a,741b。另外设想到，每对孔的外孔740b的中心点741b可相对于穿过钻头的中心点701和该对孔的内孔740a的中心点741a的弧度744以所选的角度745定位。在示例性方面，另外设想到，所选角度745可对应于穿过每个相应对孔的内孔740a、外孔740b的中心点741a,741b的弧度744和取向线746之间的角度。

更一般地讲，设想到，多个孔740可在任何选择的构型中提供。另外设想到，可分布多个孔740以便优化用于特定应用的钻头700的磨损特性。

设想到，多个孔中的每个孔740可以所选择的形状提供。在示例性方面，多个孔740可具有基本上圆柱形形状(基本上为圆形的横截面轮廓)。然而，设想到，多个孔740可具有任何形状，包括，例如但不限于，基本上圆锥形(锥形)形状(具有基本上圆形的横截面轮廓)、具有基本上矩形横截面轮廓的形状、具有基本上正方形横截面轮廓的形状、S形状等。

在示例性方面，并且参照图15和图17，环形钻冠704的外表面708可限定朝向纵向轴线706向内径向延伸的至少一个通道738。在这些方面，至少一个通道可任选地包括多个通道。任选地，在一些方面，柄702可具有外表面，并且环形钻冠704的外表面708可与柄702的外表面配合以限定至少一个通道738。任选地，柄702的外表面可与环形钻冠704的外表面708配合以限定至少一个通道的每个通道738。

在另外的方面，多个通道中的每个通道738可具有宽度。在这些方面，每个通道738的宽度可从环形钻冠704的外表面708随着向纵向轴线706(和内表面707)径向向内移动而减小。在示例性方面，多个通道738可任选地围绕环形钻冠704的外表面708周向地基本上等距间隔开。在另外的示例性方面，多个通道738可任选地为基本上相等的尺寸。然而，设想到，多个通道中的至少一个通道738可任选地具有与至少一个其他通道的尺寸不同的尺寸。任选地，在一些示例性的方面，多个通道738可包括第一多个通道的和第二多个通道，其中第一多个通道中的每个通道具有第一尺寸，并且第二多个通道具有与第一尺寸不同的第二尺寸。如本文使用，通道738的“尺寸”通常是指通道在平面中所测量的二维区域，该平面基本上垂直于钻头700的纵向轴线706。

在示例性方面，并且参照图17，当环形钻冠704限定如本文所公开的多个通道738和多对孔740时，设想到，多个通道中的至少一个通道可靠近对应对的孔定位。另外设想到，多个通道中的每个通道738可具有中心点739。在示例性方面，所选角度745可为所选锐角，并且多个通道中的至少一个通道738可任选地定位成与对应取向线746基本上对准，使得取向线穿过通道的中心点739。任选地，设想到，多个通道中的每个通道738可定位成与相应取向线746基本上对准，使得取向线穿过通道的中心点739。

任选地，在另外的示例性方面，并且参照图19-图22，设想到，环形钻冠704的内表面707可限定基本上平行于钻头700的纵向轴线706延伸的至少一个槽710。在这些方面，至少一个槽中的每个槽710可任选地对应于从钻冠704的内表面707朝向钻冠的外表面708径向延伸的圆形凹槽。设想到，至少一个槽可任选地包括多个槽710。任选地，在一些方面，设想到，柄702的内表面可与钻冠704的内表面707配合以限定至少一个槽710。在示例性方面，并且如本文进一步所公开，设想到，每个槽710可任选地定位成与环形钻冠704的相应孔740或相应对孔流体连通。

在示例性方面，并且参照图19-图20，设想到，限定在钻冠704的内表面707上的每个槽710可具有中心点711。在这些方面，至少一个槽710可被定位成与如上文所公开的相应取向线746基本上对准，使得取向线穿过槽的中心点711。任选地，当至少一个槽包括多个槽时，设想到，多个槽中的每个槽710可被定位成与如上文所公开的相应取向线746基本上对准，使得取向线穿过槽的中心点711。

在另外的方面，环形钻冠704可限定单个凹口712，该凹口相对于纵向轴线706在环形钻冠的切削面709和周向外表面708的一部分中纵向延伸。在该方面，凹口712可从内表面707径向延伸到外表面708。设想到，凹口712可被构造成允许所需钻芯样品的破裂和喷出。在示例性方面，加压钻孔流体可被定位成与所限定的凹口712的一部分连通，使得在钻孔操作期间所需量的钻孔流体可被递送到凹口中。

任选地，如同本文所公开的凹口112,212,312,412，凹口712可为轴向和/或径向渐缩的。当凹口712为轴向渐缩的时，凹口在环形钻冠704的外表面708处的纵向尺寸可大于凹口在环形钻冠的内表面707处的纵向尺寸。当凹口712为径向渐缩的时，凹口可具有可变的宽度，并且凹口在环形钻冠704的外表面708处的宽度可大于凹口在环形钻冠的内表面707处的宽度。在示例性方面，凹口712可为轴向渐缩和径向渐缩的。

在示例性方面，当钻头700包括单个凹口712和多个孔740两者时，设想到，凹口712可允许钻芯基本上自由地从切削面709流动到钻冠704的外径708。另外设想到，非均匀钻冠704可产生非平衡运动，从而允许钻芯的更容易破碎。

在示例性方面，并且参照图18，钻头700还可任选地包括多个嵌入限定单个凹口712的环形钻冠704的底部表面742和/或侧表面744,746中的至少一者的部分中的耐磨构件760。设想到，任选地但不限于，由于在使用中钻头的旋转，多个耐磨构件760可邻近用作冲击壁(例如，后壁)的凹口740的侧壁嵌入底部表面742的部分中。在这个方面，设想到，多个耐磨构件760可邻近底部表面和相应的侧壁的接合点而嵌入在底部表面742的区域中。在另外的方面，在底部表面742中的多个耐磨构件760可以以期望的、预定的阵列而定位。在一个例子中，多个耐磨构件760的阵列可包括一系列耐磨构件的行。在这个方面，设想到，每行可包括基本上沿公共轴线而定位的多个耐磨构件760。任选地，公共轴线可基本上平行于相邻的侧壁。因此，设想到，多个耐磨构件760的阵列可包括一系列的耐磨构件的行，其中每行基本上彼此平行，并与相邻的侧壁平行。

在另外的方面，任选地但不限于，由于在使用中钻头700的旋转，多个耐磨构件760可嵌入用作冲击壁(例如，后壁)的侧壁的部分中。在该方面，设想到，多个耐磨构件760可邻近底部表面742和侧壁的接合点而嵌入侧壁的区域中。在另外的方面，在底部表面742中的多个耐磨构件760可以以期望的、预定的阵列而定位。在一个例子中，多个耐磨构件760的阵列可包括一系列耐磨构件的行。在这个方面，设想到，每行可包括基本上沿公共轴线而定位的多个耐磨构件760。任选地，公共轴线可基本上平行于相邻的底部表面。因此，设想到，多个耐磨构件760的阵列可包括一系列的耐磨构件的行，其中每行基本上彼此平行，并与相邻的底部表面742平行。在另外的方面，定位在侧壁上的多个耐磨构件760的阵列可与钻头700的切削面709间隔开所需的距离。

在另一方面，多个耐磨构件760的至少一部分可从各自的其嵌入其中的底部表面742和/或侧壁744,746昂然地延伸。在一个方面，另外设想到，该阵列可包括附加行的耐磨构件760，该附加行的耐磨构件以与暴露行的耐磨构件成基础关系而被封装在钻头700内，该暴露行的耐磨构件被定位在钻头的底部表面742和/或侧表面744,746中的一者中。通过这种方式，另外的耐磨构件760可在操作期间根据钻头700的正常磨损而暴露。

在一个方面，每个耐磨构件760可以是细长构件，例如但不限于，该细长构件可具有包括纵向轴线的大致矩形形状。如图18所示，设想到，细长构件760可被定位成使得每个细长构件的纵向轴线基本上平行于邻近的底部表面742和/或侧壁744,746。在没有限制的情况下，设想到，每个耐磨构件760可包含碳化钨、TSD(热稳定的金刚石)、PDC(多晶金刚石复合材料)、CBN(立方氮化硼)、单晶氧化铝、碳化硅、耐磨陶瓷材料、合成金刚石材料、天然金刚石和多晶金刚石材料中的至少一种。

在使用中，设想到，钻头700在比已知的钻头所需的更低的水平推力下可实现期望的渗透水平。由于环形钻头700的增加的强度和冲洗，设想到，与已知的钻头相比，钻头700可显示更少的磨损并且具有增加的功能性产品寿命，其中钻头700具有的功能性产品寿命大于已知钻头的功能性产品寿命多达约5倍。另外设想到，所公开的环形钻头700的增加的强度和冲洗可允许在制造过程中使用金刚石镶嵌的更大深度。还设想到，所公开的环形钻头700可以在切削面709处产生较高的流体速度，从而提供了更快的岩石移除和传热递并且限制钻头内的金刚石的磨损，其通常由于岩石的高温和摩擦而磨损。

如前所述，本发明的各种钻孔工具的柄102,202,302,402,702可被构造成将钻头固定到钻柱部件。例如，柄102,202,302,402,702可包括美国石油学会(API)螺纹连接部或其他特征以有助于附接到钻柱部件。通过举例的方式而非限制，柄部分102,202,302,402,702可由钢、另一种铁基合金、或表现出可接受物理特性的任何其他材料形成。

在本发明的一些具体实施中，本发明的钻孔工具的钻冠104,204,304,404,704可由一个或多个层构成。例如，根据本发明的一些具体实施，钻冠104,204,304,404,704可包括两个层。具体地讲，钻冠104,204,304,404,704可包括进行钻孔操作的基质层，以及将基质层连接到柄102,202,302,402,702的背衬层。在这些具体实施中，基质层可包含研磨和磨蚀正在钻孔的材料的研磨切削介质。

在一些具体实施中，钻冠104,204,304,404,704可由硬颗粒材料(诸如金属)的基质形成。鉴于本文的公开内容，应当理解，硬颗粒材料可包括粉末材料，诸如粉末金属或合金，以及陶瓷化合物。根据本发明的一些具体实施，硬颗粒材料可包括碳化钨。如本文所用，术语“碳化钨”意指包含钨和碳的化学化合物(诸如WC、W2C、以及WC和W2C的组合)的任何材料组成。因此，碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶钨。根据本发明的另外或可选的具体实施，硬颗粒材料可包括碳化物、钨、铁、钴和/或钼以及它们的碳化物、硼化物、合金，或者任何其他合适的材料。

如前所述，钻冠104,204,304,404,704还可包括分散在整个硬颗粒材料中的多种研磨切削介质。研磨切削介质可包括天然金刚石、合成金刚石、多晶金刚石或热稳定的金刚石产品、氧化铝、碳化硅、氮化硅、碳化钨、立方氮化硼、氧化铝，加晶种或未加晶种的溶胶-凝胶氧化铝，或其他合适的材料中的一种或多种。

用于本发明的一个或多个具体实施的钻孔工具中的研磨切削介质可具有任何所需特性或特性的组合。例如，研磨切削介质可具有任何尺寸、形状、粒度、质量、磨度、浓度等。在一些实施例中，研磨切削介质可为非常小并且基本上圆形的，以便在正由岩芯取样钻头100,200,300,400,700切削的材料上留下光洁度。在其他实施例中，切削介质可较大以有力地切入正在钻孔的材料或地层中。

研磨切削介质可在整个钻冠104,204,304,404,704内均匀或不均匀地分散。同样，研磨切削介质可以特定方式对准，使得介质的钻孔特性存在于相对于钻冠104,204,304,404,704的有利位置中。类似地，研磨切削介质可根据需要以各种密度包含于钻冠104,204,304,404,704中以用于特定用途。例如，间隔较远的较大研磨切削介质比起紧密堆积在一起的较小研磨切削介质可更快地切削材料。因此，鉴于本文的公开内容，应当理解，研磨切削介质的尺寸、密度和形状可根据钻头100,200,300,400,700的所需成本和性能以各种组合提供。

例如，钻冠104,204,304,404,704可被制造成任何所需规格或给定任何所需特性。以这种方式，钻冠104,204,304,404,704可被定制设计以具有用于对特定材料进行钻孔的最佳特性。例如，硬的耐磨性基质可被制成对软的研磨性疏松地层进行钻孔，而软的延性基质可被制成对极硬的非研磨性固结地层进行钻孔。以这种方式，基质硬度可匹配到特定地层，从而允许基质层以受控的所需速率磨蚀。

应当理解，根据本发明的具体实施的具有定制切削部分的钻孔工具可与几乎任何类型的钻孔系统一起使用以进行各种钻孔操作。例如，图11和对应文本示出或描述一种这样的钻孔系统，本发明的钻孔工具可与所述钻孔系统一起使用。然而，应当理解，图11中所示和所述的钻孔系统仅仅是本发明的钻孔工具可与其一起使用的系统的一个例子。

例如，图11示出包括钻头头部510的钻孔系统500。钻头头部510可联接到柱杆520，该柱杆继而联接到钻机530。钻头头部510可被构造成具有联接到其上的一个或多个管状构件540。管状构件可包括但不限于钻杆、壳体和潜孔锤。为了便于参考，管状构件540将在本文中在后面描述为钻柱部件。钻柱部件540可继而联接到另外的钻柱部件540以形成钻柱或工具管柱550。反过来，钻柱550可联接到包括轴向渐缩的水道的钻孔工具560，诸如在上文所述的岩芯取样钻头100,200,300,400,700。如前面所提到的，钻孔工具560可被构造成与待钻孔的材料570或地层接合。

在至少一个例子中，示于图11中的钻头头部510可被构造成在钻孔过程期间旋转钻柱550。具体地讲，钻头头部510可改变钻头头部510以其旋转的速度。例如，钻头头部的旋转速率和/或传送到钻柱550的钻头头部510的扭矩可根据钻孔过程按需要选择。

此外，钻孔系统500可被构造成将大致纵向向下的力施加到钻柱550以迫使钻孔工具560在钻孔操作期间进入到地层570中。例如，钻孔系统500可包括链驱动组件，该链驱动组件被构造成将滑动件组件相对于柱杆520运动以将大致纵向的力施加到钻孔工具钻头560，如上所述。

如本文所用，术语“纵向”意指沿着钻柱550的长度。另外，如本文所用，术语“上部”、“顶部”以及“在…上方”、“下部”和“在…下方”是指钻柱550上的纵向位置。术语“上部”、“顶部”和“在…上方”是指更靠近钻头头部510的位置，而“下部”和“在…下方”是指更靠近钻孔工具560的位置。

因此，鉴于本文的公开内容，应当理解，本发明的钻孔工具可用于本领域中的任何目的。例如，孕镶有金刚石的岩芯取样钻头100,200,300,400,700可附接到钻柱550的端部，该端部继而连接到钻床或钻机530。由于钻柱550以及因此钻头560旋转并且被钻床530推动，钻头560可磨去正在被钻孔的地下地层570中的材料。可将被钻掉的钻芯样品从钻柱550取出。由于磨削作用，钻头560的切削部分可随时间推移而磨蚀。该过程可持续直到钻头560的切削部分已被消耗，并且钻柱550然后可被起出钻孔而且置换钻头560。

本发明的具体实施还包括形成具有轴向渐缩的水道的钻孔工具的方法。下面描述了形成具有轴向渐缩的水道的钻孔工具的至少一种方法。当然，作为初步问题，本领域的普通技术人员将认识到，详细解释的方法可被修改以使用本发明的一个或多个部件安装各种构型。

作为初始问题，如本文所用，术语“渗透”涉及熔融粘结剂材料并且使得熔融的粘结剂穿透到基质的空间或孔中并且填充所述空间或孔。在冷却后，粘结剂可固化，从而将基质的颗粒粘结在一起。如本文所用，术语“烧结”意指去除通过聚结结合并且结合在相邻颗粒之间的颗粒之间的孔的至少一部分(其可伴随着收缩)。

本发明的方法中的一种或多种可包括使用塞来在钻孔工具中形成轴向渐缩的水道。例如，图12-图14示出可用于形成轴向渐缩的水道的塞600(诸如钻头200,700的凹口212,712或钻头400的狭槽430)的各种视图。如图12-图14所示，塞600可包括对应于轴向渐缩的水道的表面的表面。例如，塞600可包括顶部表面602、底部表面604、第一侧表面608和第二侧表面606。另外，塞600可包括连接塞600的表面602,604,606,608的斜面610。

如图13所示，塞600的顶部表面602可具有锥度，使得塞600的第一端部可具有第一纵向尺寸612，并且塞600的第二端部可具有大于第一纵向尺寸612的第二纵向尺寸614。因此，如下文更详细地解释，顶部表面602的锥度可有助于形成水道的轴向锥度。

与之相似，图14示出第二侧表面606可具有锥度，使得塞600的第一端部可具有第一宽度616，并且塞600的第二端部可具有大于第一宽度616的第二宽度618。因此，如下文更详细地解释，第二侧表面606的锥度可有助于形成水道的径向锥度。应当理解，塞600的形状和构型可根据待用塞600形成的水道的所需形状和构型而改变。

在本发明的一些具体实施中，塞600可由石墨、碳或具有合适材料特性的其他材料形成。例如，塞600可由在渗透或烧结期间将不显著熔融或腐烂的材料形成。如下文更详细地解释，通过使用由不显著熔融的材料形成的塞600，塞600可相对易于从渗透的钻孔工具移除。

本发明的一种方法可包括提供硬颗粒材料和研磨切削介质的基质，诸如之前所述的硬颗粒材料和研磨切削介质材料。在本发明的一些具体实施中，硬颗粒材料可包括粉末混合物。方法还可涉及将基质压制或以其他方式成形成所需形式。例如，方法可涉及将基质形成为环形钻冠的形状。方法然后可涉及将多个塞放置到基质中。例如，方法可涉及将底部表面602放置到环形钻冠的对应于切削面的表面中以便形成凹口112,212,312,412,712。除此之外或作为另外一种选择，方法可涉及距环形钻冠的对应于切削面的表面一定距离将塞600放置到环形钻冠的主体中以形成封闭狭槽430。

方法然后可包括用粘结剂渗透基质。粘结剂可包括铜、锌、银、钼、镍、钴，或它们的混合物和合金。粘结剂可冷却，从而粘结到基质(硬颗粒材料和研磨切削介质)，从而将基质结合在一起。粘结剂可能不会显著地粘结到塞600，从而允许移除塞600以暴露轴向渐缩或双渐缩的水道。

本发明的另一种方法通常包括提供基质以及用基质填充具有放置在其中的塞600的模具。模具可由这样的材料形成，粘结剂材料可能不会显著地粘结到该材料上，诸如石墨或碳。方法然后可涉及通过重力和/或振动使基质致密化。方法然后可涉及用包含前述材料中的一种或多种的粘结剂渗透基质。粘结剂可冷却，从而粘结到基质(硬颗粒材料和研磨切削介质)，从而将基质结合在一起。粘结剂可能不会显著地粘结到塞600或模具，从而允许移除塞600以暴露轴向渐缩或双渐缩的水道。

在基质的渗透之前、之后或与之协同，本发明的一种或多种方法可包括将基质烧结到所需的密度。由于烧结涉及使结构内的孔隙度致密化和去除，所以被烧结的结构可在烧结过程期间收缩。结构在烧结期间可经历介于1％和40％之间的线性收缩。因此，当设计加工(模型、模具等)或机加工未完全烧结的结构内的特征时，希望研究和考虑尺寸收缩。

在一个示例性方面，具有纵向轴线的岩芯取样钻头可包括柄和环形钻冠。在该方面，环形钻冠围绕钻头的纵向轴线并且具有切削面、内表面和外表面。在一个方面，环形钻冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的被构造成接纳钻芯样品的内部空间。在该方面，环形钻冠可限定单个凹口，该凹口从内表面径向延伸到外表面并且相对于纵向轴线从切削面轴向延伸到环形钻冠的至少一部分中。

在另外的方面，环形钻冠可进一步限定多个孔。多个孔中的每个孔可在内表面和外表面之间封闭在环形钻冠内，并且多个孔中的至少一个孔可从切削面延伸到内部空间。在另外的方面，多个孔可围绕切削面基本上等距地分布。任选地，多个孔可与钻头的中心点随机地间隔开。在另一方面，多个孔可围绕切削面选择性地图案化。

任选地，多个孔可包括至少两个同心的行的孔，其中每个相应同心的行内的孔与钻头的中心点基本上等距地间隔开。在该方面，至少两个同心的行的孔可包括内同心的行的孔和外同心的行的孔，其中外同心的行的每个相应孔相对于内同心的行的对应孔以所选的取向定位。

任选地，多个孔还可包括多对孔，每对孔包括内同心的行孔的内孔和外同心的行的对应外孔，多个孔中的每个孔具有中心点，其中每对孔的外孔的中心点相对于穿过钻头的中心点和该对孔的内孔的中心点的弧度以所选角度定位。在该方面，环形钻冠的外表面可限定朝向纵向轴线径向向内延伸的多个通道。在该方面，多个通道中的至少一个通道可靠近对应对的孔定位。在另一方面，多个通道中的每个通道可具有中心点，其中所选角度是所选的锐角，并且其中多个通道中的至少一个通道的中心点被定位成与穿过对应对孔的内孔和外孔的中心点的取向线基本上对准。

在另外的方面，凹口可为轴向渐缩的，由此凹口在环形钻冠的外表面处的纵向尺寸大于凹口在环形钻冠的内表面处的纵向尺寸。任选地，凹口可为径向渐缩的，由此凹口具有可变宽度，其中凹口在环形钻冠的外表面处的宽度大于在环形钻冠的内表面处的宽度。在另一方面，凹口可为径向渐缩的，由此凹口具有可变宽度，其中凹口在环形钻冠的外表面处的宽度大于在环形钻冠的内表面处的宽度。

在又一个任选方面，多个通道中的每个通道的中心点可被定位成与穿过对应对孔的内孔和外孔的中心点的取向线基本上对准。在该方面，环形钻冠的内表面可限定向外径向延伸远离钻头的纵向轴线的至少一个槽。这里，至少一个槽中的每个槽可具有中心点，该中心点被定位成与相应取向线基本上对准。另外，至少一个槽可包括多个槽。

在一个方面，环形钻冠的外表面可限定朝向纵向轴线径向向内延伸的至少一个通道。在一个方面，至少一个通道可包括多个通道。

在另一个任选的方面，柄可具有外表面。在该方面，环形钻冠的外表面可与柄的外表面配合以限定至少一个通道中的每个通道。在该方面，多个通道中的每个通道具有宽度，并且其中每个通道的宽度从环形钻冠的外表面随着向纵向轴线径向向内移动而减小。在另一方面，多个通道可围绕环形钻冠的外表面周向地基本上等距间隔开。在又一个方面，多个通道可为基本上相等的尺寸。

在又一个任选方面，多个通道中的每个通道的中心点可被定位成与穿过对应对孔的内孔和外孔的中心点的取向线基本上对准。在该方面，环形钻冠的内表面可限定向外径向延伸远离钻头的纵向轴线的至少一个槽。这里，至少一个槽中的每个槽可具有中心点，该中心点被定位成与相应取向线基本上对准。另外，至少一个槽可包括多个槽。

根据本发明的一些具体实施，渗透过程的时间和/或温度可增加以允许粘结剂填充基质的较大数量和更大量的孔。这可减小烧结期间的收缩，同时增加所得钻孔工具的强度。

本发明因此可以其他特定形式来实现而不偏离其精神或本质特征。所描述的实施例被认为是在所有方面仅作为示例性而非限制性的。例如，在本发明的一些具体实施中，轴向渐缩的水道可通过将材料从钻冠移除而形成，而不是使用塞。因此，在一些具体实施中，轴向渐缩的水道可通过使用水喷、激光、电火花加工(EDM)或其他技术将水道加工或切削成钻冠而形成。因此，本发明的范围是由所附权利要求书而不是由前面的说明指示的。落入权利要求书的等同物含义和范围之内的所有变化都涵盖在本发明的范围之内。

Claims (22)

1.一种具有纵向轴线的岩芯取样钻头，包括：

柄；

围绕所述钻头的所述纵向轴线的环形钻冠，所述环形钻冠具有切削面、内表面和外表面，所述环形钻冠和所述柄配合以限定围绕所述纵向轴线的被构造成接纳钻芯样品的内部空间。

其中所述环形钻冠限定单个凹口，其中所述凹口从所述内表面径向延伸到所述外表面，并且其中所述凹口相对于所述纵向轴线从所述切削面轴向延伸到所述环形钻冠的至少一部分中，并且

其中所述环形钻冠进一步限定多个孔，其中所述多个孔中的每个孔在所述内表面和所述外表面之间封闭在所述环形钻冠内，并且其中所述多个孔中的至少一个孔从所述切削面延伸到所述内部空间。

2.根据权利要求1所述的岩芯取样钻头，其中所述凹口为轴向渐缩的，由此所述凹口在所述环形钻冠的所述外表面处的纵向尺寸大于所述凹口在所述环形钻冠的所述内表面处的纵向尺寸。

3.根据权利要求1所述的岩芯取样钻头，其中所述凹口为径向渐缩的，由此所述凹口具有可变宽度，其中所述凹口在所述环形钻冠的所述外表面处的宽度大于在所述环形钻冠的所述内表面处的宽度。

4.根据权利要求2所述的岩芯取样钻头，其中所述凹口为径向渐缩的，由此所述凹口具有可变宽度，其中所述凹口在所述环形钻冠的所述外表面处的宽度大于在所述环形钻冠的所述内表面处的宽度。

5.根据权利要求1所述的岩芯取样钻头，其中所述环形钻冠的所述外表面限定朝向所述纵向轴线径向向内延伸的至少一个通道。

6.根据权利要求5所述的岩芯取样钻头，其中所述柄具有外表面，并且其中所述环形钻冠的所述外表面与所述柄的所述外表面配合以限定所述至少一个通道中的每个通道。

7.根据权利要求5所述的岩芯取样钻头，其中所述至少一个通道包括多个通道。

8.根据权利要求7所述的岩芯取样钻头，其中所述多个通道中的每个通道具有宽度，并且其中每个通道的所述宽度从所述环形钻冠的所述外表面随着向所述纵向轴线径向向内移动而减小。

9.根据权利要求7所述的岩芯取样钻头，其中所述多个通道围绕所述环形钻冠的所述外表面周向地基本上等距间隔开。

10.根据权利要求7所述的岩芯取样钻头，其中所述多个通道为基本上相等的尺寸。

11.根据权利要求1所述的岩芯取样钻头，其中所述多个孔围绕所述切削面基本上等距地分布。

12.根据权利要求1所述的岩芯取样钻头，其中所述多个孔与所述钻头的中心点随机地间隔开。

13.根据权利要求1所述的岩芯取样钻头，多个孔围绕所述切削面选择性地图案化。

14.根据权利要求13所述的岩芯取样钻头，其中所述多个孔包括至少两个同心的行的孔，并且其中每个相应同心的行内的所述孔与所述钻头的中心点基本上等距地间隔开。

15.根据权利要求14所述的岩芯取样钻头，其中所述至少两个同心的行的孔包括内同心的行的孔和外同心的行的孔，其中所述外同心的行的每个相应孔相对于所述内同心的行的对应孔以所选的取向定位。

16.根据权利要求15所述的岩芯取样钻头，其中所述多个孔包括多对孔，每对孔包括所述内同心的行孔的内孔和所述外同心的行的对应外孔，所述多个孔中的每个孔具有中心点，其中每对孔的所述外孔的所述中心点相对于穿过所述钻头的中心点和所述对孔的所述内孔的所述中心点的弧度以所选角度定位。

17.根据权利要求16所述的岩芯取样钻头，其中所述环形钻冠的所述外表面限定朝向所述纵向轴线径向向内延伸的多个通道。

18.根据权利要求17所述的岩芯取样钻头，其中所述多个通道中的至少一个通道靠近对应对的孔定位。

19.根据权利要求17所述的岩芯取样钻头，其中所述多个通道中的每个通道具有中心点，其中所述所选角度是所选的锐角，并且其中所述多个通道中的至少一个通道的所述中心点被定位成与穿过对应对孔的所述内孔和所述外孔的所述中心点的取向线基本上对准。

20.根据权利要求19所述的岩芯取样钻头，其中所述多个通道中的每个通道的所述中心点被定位成与穿过对应对孔的所述内孔和所述外孔的所述中心点的取向线基本上对准。

21.根据权利要求20所述的岩芯取样钻头，其中所述环形钻冠的所述内表面限定向外径向延伸远离所述钻头的所述纵向轴线的至少一个槽，其中所述至少一个槽中的每个槽具有中心点，并且其中所述至少一个槽的每个槽的所述中心点被定位成与相应取向线基本上对准。

22.根据权利要求21所述的岩芯取样钻头，其中所述至少一个槽包括多个槽。